CPU模型的组成及其数据通路.ppt

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1、第3章CPU原理CPU的主要功能是执行存放在主存储器中的程序即机器指令。CPU是由控制器和运算器。学习目标：理解全加器的逻辑式和结构，并行加法器及所采用的进位链、多功能算术逻辑运算部件SN74181的功能。掌握初码定点加减运算、移位操作，理解浮点加减运算、十进制加法运算，掌握无符号整数一位乘法并了解其逻辑实现，掌握无符号整数一位除法，了解浮点乘除运算。学习目标：掌握模型机的基本组成、数据通路及数据传送，掌握微命令的基本形式。理解控制器的功能，掌握指令流程及组合逻辑控制器的工作原理。掌握微型程序控制的概念，了解微指令的编码方式和顺序控制方式，了解微

2、指令的格式。§3.1算术逻辑运算部件ALUALU是一种功能较强的组合逻辑电路，有时被称为多功能函数发生器。ALU的核心是加法器。ALU主要完成对二进制代码的定点算术运算和逻辑运算。§3.1.1加法单元全加器与半加器：AnAn-1…Ai…A2A1A0BnBn-1…Bi…B2B1B0+CnCn-1…Ci…C2C1C0全加器为考虑三个输入的加法单元，半加器为考虑两个输入的加法单元。全加和Σi+向高位的进位Ci低位送进来的进位Ci输入量输出量用半加器构成全加器（1）半加求和可用异或门实现：半加和=AiOBi（半加器的逻辑式）半加器又称为异或门（2）全加器

3、=两个半加，其逻辑式：Σi=AiOBiOCiCi+1=AiBi+(AiOBi)Ci因逻辑门电路均存在延迟时间，全加器电路是一个延迟部件，其特性将影响全加器的速度。+++++§3.1.2并行加法器与进位链结构并行加法器：是用n位全加器实现两个n位操作数各位同时相加，其中的全加器的位数与操作数的位数相同。并行加法器的最长时间是由进位信号的传递时间决定的，而每位全加器本身的求和延迟是次要的因素。所以，加快进位的产生和传递是提高其速度的关键。进位链：并行加器中传递进位信号的逻辑线路，称为~1.基本进位公式：Ci+1=AiBi+(AiOBi)Ci2.并行加

4、法器的串行进位：（1）串行进位的并行加法器是将n个全加器串接起来，就可进行两个n个位数相加。（2）串行进位方式：是指相加的进位逐级形成的，每一级的进位直接依赖于前一级的进位。称为~（行波进位）+Gi为进位产生函数Pi为进位传递函数（3）串行进位的延迟时间较长。（4）串行进位的逻辑表达式：见教材P61。3.并行进位（先行进位，同时进位）（1）定义：同时形成各级进位信号的方法，称为~。（2）采用并行进位的加法器的运算速度较快，但是以增加硬件逻辑线路为代价的。§3.1.3ALU举例1.SN74181外特性2.SN74181内部结构3.SN74181功能

5、表4.用SN74181构成多位的ALU§3.2运算方法§3.2.1定点加减运算1.原码加减运算：原码的加减法较复杂，很少使用，其原因：（1）原码的加减运算，因计算机的实际操作取决于指令中的操作码和两个操作数的符号；（2）运算结果的符号判断也较复杂。2.补码加减运算：（1）补码加法运算：[X]补+[Y]补=[X+Y]补两个相加的数无论正负，只要是以补码的形式表示的，则可按二进制规则相加。（2）补码的减法运算：[X-Y]补=[X+（-Y）]补=[X]补+[-Y]补符号位作为数的一部分直接参与运算。为[Y]补的机器负数由[Y]补求[-Y]补（机器负数）

6、的方法定点小数：[-Y]补=[Y]补+2-n例：[Y]补=0.01011[-Y]补=1.10100+0.00001=1.10101定点整数：[-Y]补=[Y]补+1例：[Y]补=1001011[-Y]补=0110100+1=0110101(3)补码的运算规则：参加运算的操作数和运算结果均用补码表示；符号位作为数的一部分直接参与运算；若指令操作码为加，则两个数按二进制规则相加；若指令操作码为减，则被减数+减数的机器负数。机器负数的求法见上张幻灯片。3.溢出判别溢出：指计算机的运算结果超出其所能表示的范围，而发生错误。溢出的分类：正溢出：运算结果为正

7、且大于所能表示的最大正数。负溢出：运算结果为负且大于所能表示的最小正数（绝对值最大的负数）。溢出判断的方法：（1）采用一个符号位判断：即：当两个同号数相加，若所得结果与两数符号不同，则表示溢出。（2）采用最高有效位的进位判断：即：两正数相加，最高有效位有进位，符号位无进位，表明运算结果溢出；两负数相加，最高有效位无进位，符号位有进位，表明运算结果溢出；以下各判断逻辑式见教材P66-67）（3）采用变形补码将符号位扩充为两位，称为变形码。采用变形祉码表示的运算结果，可根据两个符号位是否一致来判断是否溢出。双符号位的含义：00——结果为正，无溢出；0

8、1——结果为正溢出；10——结果为负溢出；11——结果为负，无溢出。CPU内设的一个状态寄存器，其中的溢出位V是用来记录溢出是否发生。§